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Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.18, n.Especial, p.495-502, 2016 495
ISSN: 1517-8595
INFLUÊNCIA DO TEOR DE ÁGUA NAS PROPRIEDADES FÍSICAS DOS GRÃOS
DE ARROZ VERMELHO EM CASCA
Ramon Viana de Sousa1, Mario Eduardo R.M. Cavalcanti Mata2, Maria Elita Martins Duarte2,
Renata Duarte Almeida3, Maria Eduarda Cavalcanti Rosa4, Aline Costa de Sousa5
RESUMO
Diante do destaque do arroz vermelho para a região semiárida do Nordeste, principalmente nos
estados da Paraíba, Rio Grande do Norte, Pernambuco e Ceará e da importância do conhecimento
do comportamento das suas propriedades físicas em função do teor de água do produto, buscou-
se com o presente trabalho determinar o calor específico, as massas específicas aparente e real e
a porosidade intergranular para diferentes teor de água. O calor específico dos grãos de arroz
vermelho foi determinado pelo método das misturas para teores de água variando de 11,6 a
30,06%, base úmida. A massa específica aparente foi determinada por meio da relação entre a
massa dos grãos de arroz vermelho e volume ocupado pelos grãos, a massa específica real dos
grãos pelo método do deslocamento de líquidos e a porosidade intergranular determinada
indiretamente utilizando-se os valores experimentais das massas específicas aparente e real,
apresentando valores entre 46,77 a 51,74%, para faixa de teor de água estudado. Os resultados
obtidos permitiram concluir que o calor específico, as massas específicas aparente e real e a
porosidade intergranular aumentaram com a elevação do teor de água e que estas propriedades
físicas do arroz vermelho podem ser representadas seu comportamento em função do teor de água
pelo modelo linear simples.
Palavras-chaves: calor específico, massa específica, porosidade.
INFLUENCE OF WATER CONTENT ON THE PHYSICAL PROPERTIES OF THE
RED RICE GRAINS IN ROUGH
ABSTRACT
Before the highlight of the red rice to the semiarid region of the Northeast, especially in the states
of Paraiba, Rio Grande do Norte, Pernambuco and Ceará and the importance of knowing the
behavior of their physical properties depending on the product water content, I sought with this
work to determine the specific heat, specific masses apparent and real and the intergranular
porosity for different water content. The specific heat of red rice grains was determined by the
method of mixtures for water contents ranging from 11.6 to 30.06%, humid basis. The specific
mass apparent was determined by the ratio between the mass of red rice grain and volume
occupied by grains, the specific mass real of grain by a liquid displacement method and
intergranular porosity determined indirectly using the experimental values of the specific masses
apparent and real, with values between 46.77 to 51.74%, to study water content range. The results
showed that the specific heat, specific masses apparent and real and the intergranular porosity
increased with increasing water content and that these physical properties of red rice can be
represented their behavior depending on the water content of the linear model simple.
Keywords: specific heat, specific mass, porosity.
Protocolo 18 2016 05 de 28 de outubro de 2016 1 Mestre em Física, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (IFRN),Rua Manoel Lopes
Filho, nº773, Valfredo Galvão, Currais Novos-RN, CEP: 59380-000. E-email:[email protected]. 2 Professor Titular da Unidade Acadêmica de Engenharia de Alimentos, UFCG, Rua Aprígio Veloso, 882 – Bodocongó.
58.109-900, Campina Grande, PB. E-mail: [email protected]; [email protected]. 3 Mestre em Engenheira Agrícola, Unidade Acadêmica de Engenharia de Alimentos, UFCG, Campina Grande, PB, E-mail:
[email protected] 4 Professora de Design, M.Sc. em Engenharia de Materiais. Faculdade de Arquitetura e Urbanismo – FAU/UFAL Av.
Lourival Melo Mota, s/n. Tabuleiro dos Martins. 57.072-900 Maceió – AL Email: dudah.cavalcanti@gmail. Com
5 Graduanda de engenharia de Alimentos Unidade Acadêmica de Engenharia de Alimentos, UFCG, Rua Aprígio Veloso, 882
– Bodocongó. 58.109-900, Campina Grande, PB. E-mail: [email protected].
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Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.18, n.Especial, p.495-502, 2016
INTRODUÇÃO
O arroz vermelho é um produto agrícola
tradicional em vários países. No Brasil, o
cultivo ocorre na agricultura familiar, predominantemente, por pequenos agricultores,
como lavoura de subsistência e com baixo uso
de tecnologia. Atualmente, seu maior cultivo
ocorre na região semiárida do Nordeste, principalmente nos estados da Paraíba, Rio
Grande do Norte, Pernambuco e Ceará.
De acordo com Pereira et al. (2009), o arroz vermelho apresenta algumas
características que podem diferenciá-lo do arroz
branco, como sabor, textura e maior teor nutricional.
A secagem do arroz vermelho é a forma
mais utilizada para prevenir a deterioração do
produto, assegurando sua qualidade e estabilidade, uma vez que, o teor de água do
produto sendo reduzido e mantido em baixo
nível, o desenvolvimento de microrganismos será minimizado durante o processo de
armazenamento.
A redução do teor de água dos grãos
durante o processo de secagem influência diretamente suas propriedades físicas,
consequentemente provocando o encolhimento
do produto. Desta forma, alterando a resistência que a camada do produto proporciona ao fluxo
do ar de secagem. Segundo Cavalcanti Mata e
Duarte (2002), a porosidade intergranular é a principal característica física que define a
resistência à passagem do ar no processo de
secagem e aeração de produtos agrícolas.
Park et al. (2007), afirmam que a porosidade em grãos maiores é menor, porém
dimensões dos poros são maiores, o que facilita
o escoamento do ar que atravessa a massa do produto.
Em um material homogêneo, o calor se
difunde com a mesma velocidade em todas as direções. Entretanto, quando se trata de um
material heterogêneo como uma massa de grãos
(material granular e higroscópico), a forma das
partículas e a compactação do produto influenciam na quantidade de calor transferido
por unidade e área (Andrade et al., 2004).
Para se obter a quantidade de energia térmica no processo de secagem de grãos, é
necessário o conhecimento do calor específico,
que, por definição, é a quantidade de calor que
é fornecido ou retirado de uma massa de grãos para variar de 1ºC sua temperatura por unidade
de massa.
Em vista do exposto, o presente trabalho de pesquisa teve com objetivo analisar a
influência do teor de água no calor específico,
na porosidade e nas massas específicas aparente e real dos grãos de arroz vermelho em casca.
MATERIAL E MÉTODOS
O presente trabalho de pesquisa foi
desenvolvido no Laboratório de Engenharia de
Alimentos (LEA) da Unidade Acadêmica de Engenharia de Alimentos do Centro de
Tecnologia e Recursos Naturais (CTRN),
Universidade Federal de Campina Grande - PB. Foram utilizados grãos do arroz vermelho em
casca, procedentes do sítio Pau D’arco situado
no município de Itaporanga – PB. Para realizar o estudo das propriedades
físicas foi necessário submeter o produto ao
umedecimento artificial para obtenção dos
níveis de teor de água desejado. O teor de água, em todas as etapas do
trabalho de pesquisa, foi determinado pelo
método padrão da estufa a 105°C (± 1°C), durante 24h, com três repetições, conforme
Regras para Análise de sementes (Brasil, 1992).
O calor específico dos grãos de arroz
vermelho foi obtido pelo método das misturas para teores de água variando de 11,6 a 30,06%,
base úmida. Este método consiste em utilizar
um recipiente isolado (calorímetro) de capacidade calorífica conhecida, com um
líquido inerte.
O calorímetro utilizado (Figura 1) é constituído por uma garrafa térmica de volume
equivalente a 1000 ml, isolada com uma
camada de fibra de vidro e instalada dentro de
um tubo de PVC de 150 mm de diâmetro e vedada com rolha de borracha. Neste trabalho
de pesquisa, foi utilizada a água destilada como
o líquido inerte.
Figura 1 - Desenho esquemático do
calorímetro utilizado para a medição do
calor específico dos grãos.
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O cálculo do calor específico foi
realizado através de um balanço global de
massa e energia em um sistema de isolamento térmico, expresso por:
Calor perdido pela amostra = Calor ganho pela água + Calor ganho pelo calorímetro
Para obter o calor específico dos grãos foi necessário inicialmente determinar a
capacidade calorífica do calorímetro. Para isso,
colocou-se 100g de água destilada no interior
do calorímetro, à temperatura ambiente. Em seguida, o recipiente foi fechado com uma rolha
de borracha acoplada a um termômetro digital
onde se determinou a temperatura 𝑇1. Depois de atingir o equilíbrio térmico, adicionou-se no
interior do recipiente mais 100g de água
destilada a uma temperatura em torno de 5 °C,
correspondendo à temperatura 𝑇2. O recipiente foi fechado, novamente, e o líquido foi agitado
para se obter a temperatura de equilíbrio da
mistura 𝑇3. Com os dados experimentais, a
capacidade calorífica foi determinada através da
equação 1 que representa o balanço de calor do
sistema.
𝐶𝑐𝑎𝑙 =𝑐𝑎 𝑚2(𝑇3−𝑇2)−𝑐𝑎 𝑚1(𝑇1−𝑇3)
(𝑇1−𝑇3) (1)
em que,
𝐶𝑐𝑎𝑙=capacidade calorífica do calorímetro, JoC
-1
𝑐𝑎 = calor específico da água, kcal kg-1 o
C-1
𝑚1 = massa de água à temperatura ambiente, kg
𝑚2 = massa de água refrigerada, kg
𝑇1 = temperatura da água em condições
ambientais, ℃
𝑇2 = temperatura da água fria, ℃
𝑇3 = temperatura de equilíbrio térmico da
mistura, ℃
Após obter a capacidade calorífica do
calorímetro, foi colocada uma amostra de 100g dos grãos do arroz vermelho em casca com
temperatura 𝑇4 dentro da mistura de água
contida no interior do calorímetro. Em seguida,
agita-se o calorímetro e aguardou–se, aproximadamente, quinze minutos até atingir
um novo equilíbrio térmico 𝑇5. O novo balanço
de calor foi realizado a partir da seguinte expressão:
𝑐𝑔 =𝑐𝑎 𝑚(𝑇5−𝑇3)+𝐶𝑐𝑎𝑙(𝑇5−𝑇3)
𝑚𝑔(𝑇4−𝑇5) (2)
em que,
𝑐𝑔 → calor específico dos grãos, kcal kg-1 o
C-1
𝑚𝑔 → massa dos grãos, kg
𝑚 → massa de água (𝑚1 + 𝑚2), kg
𝑇4 → temperatura dos grãos, ℃
𝑇5 → temperatura de equilíbrio térmico entre a
massa de água e os grãos, ℃
Para obter a massa específica aparente, os
grãos foram colocados em um recipiente de
formato cilíndrico de dimensões conhecidas, medindo 0,098m de altura e 0,053m de
diâmetro, numa quantidade suficiente para
preencher todo seu volume. Em seguida, foi feita a medição da massa dos grãos com uma
balança analítica com precisão de 0,01g e
calculado o volume ocupado pelo produto através da equação 3. Para verificar o
comportamento da massa específica aparente
em função do teor de água do produto, esse
procedimento será feito com três repetições para cada um dos seis níveis de teor de água
analisados.
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 = (𝜋 𝑟2 ℎ) (3)
em que,
𝑟 → raio do cilindro, m;
ℎ → altura do cilindro, m.
A massa específica aparente foi determinada por meio da relação entre a massa
dos grãos de arroz vermelho e volume ocupado
pelos grãos. Nesse caso, a porosidade também
compõe o volume da amostra. A massa específica real dos grãos foi
determinada pelo método do deslocamento de
líquidos e calculada pela seguinte equação:
𝜌 =𝑚
𝑉𝑟 (4)
em que,
𝜌 → massa específica real, kg m-3
;
𝑚 → massa dos grãos, kg;
𝑉𝑟 → Volume real, sem considerar a porosidade
intergranular, m-3.
A obtenção do volume real dos grãos foi
realizada através da equação 5, utilizando-se o
método do deslocamento de massa, tendo a água como fluido na análise experimental.
𝑉𝑟 =𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑑𝑜 (𝑘𝑔)
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑘𝑔 𝑚−3) (5)
(3)
(5)
(4)
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Os grãos tiveram um tratamento de impermeabilização com óleo de soja em sua
superfície, numa finíssima película, de forma a
não influenciar na medida do volume da massa do produto. Esse procedimento tem por objetivo
evitar a penetração da água nos grãos, evitando
um erro considerável nas medidas.
A porosidade intergranular do arroz vermelho em casca foi obtida em função da
massa específica aparente e real, de acordo com
a equação 6, descrita por Mohsenin (1986).
𝜀 = [1 − (𝜌𝑎𝑝
𝜌)] 100 (6)
em que:
𝜀 → Porosidade, %
𝜌 → massa especifica real, 𝑘𝑔. 𝑚−3
𝜌𝑎𝑝 → massa especifica aparente, 𝑘𝑔. 𝑚−3.
Os dados experimentais do calor
específico, massa específica aparente, massa
específica real e porosidade foram submetidos à análise de regressão linear, sendo selecionado o
modelo linear, em função da magnitude do
coeficiente de determinação, para expressar a
relação entre as propriedades e o teor de água do arroz vermelho.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os valores observados experimental-
mente do calor específico para as amostras dos
grãos de arroz vermelho em casca para diferentes teores de água são apresentados na
Tabela 1, tendo um calor específico mínimo de
2,2642 kJ/kg °C e máximo de 3,5422 kJ/kg °C. Nota-se que o calor específico teve um
acréscimo com o aumento do teor de água do
produto. Este comportamento esta coerente com os obtidos por diversos pesquisadores, tais
como: Borem et al. (2002), estudando cinco
variedades de café cereja descascado; Andrade
et al. (2004), estudando grãos de milho; Oliveira (2006), estudando grãos de feijão-
macassar; Ribeiro et al. (2007), estudando grãos
de trigo; Gama (2011), estudando sementes das frutas tropicais: cajá, graviola, tamarindo e
Umbu.
Tabela 1 – Valores do calor específico do arroz vermelho em casca em função do teor de
água.
Teor de água
(% base úmida)
Calor específico
Cal/g °C kJ/kg °C
11,60 0,5413 2,2642
15,30 0,5620 2,3508
19,08 0,6117 2,5587
22,43 0,6960 2,9114
27,76 0,7719 3,2287
30,06 0,8468 3,5422
Na Figura 2 são apresentados graficamente os dados observados e os obtidos por análise de regressão linear do calor específico do arroz vermelho, bem como as equações de ajuste e o
coeficiente de determinação.
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Figura 2 - Valores observados e estimados do calor específico dos grãos de arroz vermelho
em casca, em função do teor de água.
A Tabela 2 mostra os resultados da
massa específica aparente, massa específica real
e a porosidade intergranular, obtidas para o
arroz vermelho em casca, variando com o teor de água da amostra.
Tabela 2. Valores médios da massa específica aparente (ρap), massa específica real (ρ) e porosidade
intergranular (ε ) do arroz vermelho em casca em função do teor de água.
Teor de água (% b.u.)
ρap
(kg m-3
) ρ
(kg m-3
) ε
(%)
9,52 558,5 1049,3 46,77
15,95 568,7 1138,7 49,70
21,19 587,2 1177,8 50,14
23,21 598,8 1211,7 50,58
27,12 609,0 1255,3 51,49
28,07 610,4 1264,4 51,74
Observa-se na Tabela 2, que houve um aumento da massa específica aparente e real na
medida em que ocorreu um aumento do teor de
água da amostra do arroz vermelho em casca, tendo a massa específica aparente variada entre
558,5 a 610,4 kg m-3 e a massa específica real
entre 1049,3 a 1264,4 kg m-3
, para uma variação do teor de água de 9,52 até 28,07%.
Resultados semelhantes obtiveram Araújo et al.
(2014), ao estudarem a massa específica
aparente e real dos grãos de amendoim durante a secagem, encontrando valores equivalentes a
544 a 598 kg m-3
e 885 a 966 kg m s-3
, respectivamente, para uma faixa de teor de água
entre 4 a 56% (b.s.); Siqueira et al. (2012),
estudando a massa específica aparente e real das sementes de pinhão-manso, encontraram
valores equivalentes a 78,8 a 80,6 kg m-3
e
198,8 a 209,2 kg m-3
, respectivamente, para uma faixa de teor de água entre 9,09 a 33,33%
(b.u.).
Verifica-se pelos resultados obtidos para
a massa específica real (Tabela 2), que a massa de um grão de arroz vermelho aumenta
Calor específico dos grãos de arroz vermelho
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Teor de água (% base úmida)
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
Calo
r es
pec
ífic
o (
kJ/k
g.°
C)
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
Calo
r es
pec
ífic
o (
Cal/g.°
C)
Dados observados (kJ/kg.°C)
Cp = 1,3338+0,0701X
R2 = 96,72%
Dados observados (Cal/g.°C)
Cp = 0,3189+0,0168X
R2 = 96,72%
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proporcionalmente mais que o seu volume. Para
a massa específica aparente, os dados experimentais encontrados significam que o
aumento da massa em função do ganho de água
foi maior que o aumento do volume da massa de grãos.
Os valores experimentais e preditos da
massa específica aparente e massa específica real do arroz vermelho em casca em função do
teor de água (b.u.), bem como as equações de
ajuste e o coeficiente de determinação, são apresentados graficamente na Figura 3.
Figura 3 - Valores experimentais e preditos da massa específica aparente (ρap) e massa
específica real (ρ) do arroz vermelho em casca em função do teor de água.
Na Figura 4, são apresentados graficamente os valores experimentais e
preditos da porosidade intergranular do arroz
vermelho em casca em função do teor de água (b.u.), bem como a equação de ajuste e o
coeficiente de determinação.
Figura 4 - Valores experimentais e preditos da porosidade interanular (𝜀) do arroz vermelho
em casca em função do teor de água.
Porosidade intergranular dos grãos de arroz vermelho em casca
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Teor de água (% b.u.)
47
48
49
50
51
52
Po
rosi
da
de
(%)
ρ = 44,9415 + 0,246 X
R2 = 93,84%
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A porosidade da massa de grãos do arroz
vermelho em casca aumentou com o aumento
do teor de água, apresentando valores entre 46,77 a 51,74%, para faixa de teor de água
estudado. Portanto, fica evidente no processo de
secagem que a redução do teor de água no produto influência diretamente sobre a
porosidade intergranular.
Vários pesquisadores estudando a porosidade de diversos produtos agrícolas
observaram comportamento semelhante, entre
eles: Siqueira et al. (2012), estudando as
sementes pinhão-manso, observaram a porosidade variando de 44,48 a 48,38% para
uma faixa de teor de água entre 9,09 a 33,33%
(b.u.); Resende et al. (2008), estudando grãos de feijão da cultivar Vermelho Coimbra,
observaram a porosidade variando de 38,3 a
44,1% para uma faixa de teor de água entre 13 a
45% (b.s.); Ribeiro et al. (2005), estudando grãos de soja durante o processo de secagem,
observaram a porosidade variando de 41,1 a
44,7% para uma faixa de teor de água entre 15 a 31% (b.s.).
CONCLUSÕES
As principais conclusões obtidas a partir
da análise dos resultados do arroz vermelho em
casca são:
Ocorreu um aumento linear da massa
específica aparente e real na medida em
que houve um aumento do teor de água da amostra.
A porosidade intergranular da massa de
grãos do arroz vermelho em casca
aumento proporcionalmente com o aumento do teor de água.
O calor específico teve um acréscimo
com o aumento do teor de água do
produto, sendo a relação entre o calor
específico e o teor de água diretamente proporcional.
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